【導(dǎo)讀】物聯(lián)網(wǎng)正在以超越“爆炸”的速度發(fā)展，其對(duì)世界的影響也是越來(lái)越明顯。智能作為“十二五”規(guī)劃中工信部主推應(yīng)用領(lǐng)域之一，家居系統(tǒng)產(chǎn)品或網(wǎng)絡(luò)家居得以展示，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居方面的應(yīng)用已經(jīng)初見(jiàn)成效。種基于物聯(lián)網(wǎng)的高度網(wǎng)絡(luò)化智能家居安防系統(tǒng)被設(shè)計(jì)出來(lái)。授權(quán)訪問(wèn)進(jìn)行檢測(cè)、攔截和報(bào)警進(jìn)行設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)涉及到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)（CC2530芯片為主控芯片。的開(kāi)發(fā)板），一個(gè)用作協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，一個(gè)用作終端設(shè)備；協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)，并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，另外功能模塊主要有溫濕度采集模塊、煙霧檢測(cè)模塊、繼電器模塊和人體紅外傳感模塊。很簡(jiǎn)易的家居環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

　　

【正文】 常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。當(dāng)收到特定的短信要把家電打開(kāi)時(shí)， MCU 通過(guò)打開(kāi)繼電器給插座上電，即可打開(kāi)家電，當(dāng)需要關(guān)閉家電時(shí)，也是通過(guò)繼電器關(guān)閉家電。 CC2530是一個(gè)弱電器件 ,一般情況下它們大都工作在電壓為 5V甚至更低、驅(qū)動(dòng)電流在 mA 級(jí)以下，而要把它的輸出用于一些大功率場(chǎng)合， 比如控制步進(jìn)電機(jī)，很顯然是不可行的。因此，就要設(shè)計(jì)一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)銜接，這個(gè)銜接環(huán)節(jié)就是“功率驅(qū)動(dòng)”。一個(gè)典型簡(jiǎn)單的功率驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)就是繼電器的驅(qū)動(dòng)。此處，繼電器驅(qū)動(dòng)含有兩層意思：一是通過(guò) GPIO 口對(duì)繼電器本身進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因?yàn)槔^電器對(duì)于 CC2530 來(lái)說(shuō)是一個(gè)功率器件；另一個(gè)就是繼電器去驅(qū)動(dòng)其它負(fù)載，比如繼電器可以驅(qū)動(dòng)中間繼電器，也可以直接驅(qū)動(dòng)接觸器，因此繼電器驅(qū)動(dòng)就是CC2530 與其塔大功率負(fù)載的接口。 CC2530 的 I/O 口輸出電壓高電平為 ，直接接上繼電器后電平被拉低，無(wú)法控制繼電器的閉合。三極管具有良好的信號(hào) 放大功能，信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管的放大后，再接入繼電器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電路的控制 [18]。 繼電器的原理圖如圖 所示： 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 圖 繼電器原理圖 繼電器模塊的電路圖如圖 所示： 圖 繼電器模塊電路圖 第四節(jié) 本章小結(jié) 本章通過(guò)對(duì) 基于物聯(lián)網(wǎng)的 智能家居的分析，確定了系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，然后針對(duì)其方案進(jìn)行軟硬件選型。 首先 是 確定以 CC2530 為主控芯片的開(kāi)發(fā)板作為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，一個(gè)為協(xié)調(diào)器，主要負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)；一個(gè)為終端節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)控制各個(gè)功能模塊進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)，并向協(xié)調(diào)器發(fā)送信息。然后 確定了 該方案所涉及到的功能模塊（主要包括溫濕度檢測(cè)模塊、煙霧檢測(cè)模塊、人體感應(yīng)模塊、光電傳感模塊、顯示模塊和繼電器模塊），對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行分析，最后確定各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 第 四 章 課題的軟件描述 第一節(jié) 總體流程 現(xiàn)代家居理念倡導(dǎo)低碳環(huán)保，要求在低能耗的條件下完成家居生活的智能化革命。本系統(tǒng)的傳感器單元采集、傳輸數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)為周期工作，系統(tǒng)各傳感元件狀態(tài)可分為工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)。整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為三種類型：底層普通節(jié)點(diǎn)、簇中心節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。一般的傳感器節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)作為底層普通節(jié)點(diǎn)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過(guò)簇中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行收集轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)調(diào)，再經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器到達(dá)監(jiān)控中心服務(wù)器。設(shè)計(jì)總的流程圖如圖 所示： 圖 總體流程圖 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 第二節(jié) 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 一、無(wú)線傳感器和控制節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 無(wú)線傳感器和無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)都是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層的普通節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)了智能家居環(huán)境參數(shù)的采集和執(zhí)行器件的控制任務(wù)。作為底層普通節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信模塊，當(dāng)節(jié)點(diǎn)初始化后，它會(huì)依據(jù) ZigBee 協(xié)議搜尋網(wǎng)絡(luò)，并請(qǐng)求加入節(jié)點(diǎn)。請(qǐng)求得到確定后，節(jié)點(diǎn)會(huì)將自身的地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，并自動(dòng)與協(xié)調(diào)器建立綁定。在接收到數(shù)據(jù)傳送請(qǐng)求之后，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)就會(huì)將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)值按時(shí)傳給協(xié)調(diào)器，無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)則接收協(xié)調(diào)器的控制命令對(duì)執(zhí)行器件進(jìn)行相應(yīng)的控制輸出 [19]。該節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖 所示： 圖 終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖 二、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收由簇網(wǎng)絡(luò)的簇中心節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)并及時(shí)傳送給鍵控中心服務(wù)器，同時(shí)接收監(jiān)控中心服務(wù)器的控制命令，通過(guò)簇節(jié)點(diǎn)發(fā)送給無(wú)線 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 控制節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在完成初始化后，則新建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，如果新建網(wǎng)絡(luò)成功，允許網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)定為綁定 [19]。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器檢測(cè)是否有節(jié)點(diǎn)要求加入網(wǎng)絡(luò)，如果接受到節(jié)點(diǎn)的加入請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器會(huì)記錄下節(jié)點(diǎn)的地址，并建立綁定，同時(shí)向各節(jié)點(diǎn)發(fā)出傳送數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的軟件流程圖如圖 所示： 圖 協(xié)調(diào)器軟件流程圖 第三節(jié) 功能模塊的軟件設(shè)計(jì) 一、煙霧檢測(cè)模塊 MQ2 氣體傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃性氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出電壓信號(hào) [15]。根據(jù)傳感器輸出的電壓大小判斷環(huán)境中可燃性氣體濃度的大小。 MQ2 氣體傳感器輸出的是電壓信號(hào)，處理器要把相應(yīng)的電壓值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)值， CC2530 自帶了 A/D 轉(zhuǎn)換的功能， A/D 轉(zhuǎn)換芯片在嵌入式系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件 中 ，首先系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)打開(kāi)嵌入式設(shè)備中的 A/D 轉(zhuǎn)換設(shè)備，打開(kāi)設(shè)備失敗返回 1，以后的系統(tǒng)函數(shù)就可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。 如圖 所示， MQ2 其他傳感器有 6 只針狀管引腳，其中 4 個(gè)用于信號(hào)輸出， 2 個(gè)用于提供加熱電流。設(shè)傳感器表面電阻是 Rs，它是通過(guò)與其串聯(lián)的 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 負(fù)載電阻 RL上的有效電壓信號(hào)輸出獲得的，參考 MQ2datasheet 可得二者之間的關(guān)系如式 所示： ? ?RLs L RLVc VR RV?? （ ） 根據(jù)式 MQ2的工作原理（其電導(dǎo)率隨著氣體濃度的增大而增大，其電 阻 式電導(dǎo)率的倒數(shù)，所以電阻是減小的，其特性相當(dāng)于一個(gè)滑動(dòng)變阻器），可以得到式 。 LcoutsLRVV RR? ? （ ） Vc 為回路電壓即電源電壓，其加在 MQ2 傳感器的 1 腳、 3 腳之間， Vout是傳感器 4 腳、 6 腳輸出電壓， R3為傳感器的體電阻。若氣體濃度上升，必將導(dǎo)致 R3下降。而 R3的下降則會(huì)導(dǎo)致 MQ2 的 4 腳、 6 腳對(duì)地輸出的電壓增大，所以氣體濃度增大，其輸出電壓也會(huì)增大。 CC2530開(kāi)發(fā)板的 A/D轉(zhuǎn)換器會(huì)把輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成 01023之間的數(shù)字，轉(zhuǎn)換成的數(shù)字越大，說(shuō)明電壓越大即煙霧濃度越大。假設(shè)程序中經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字是 C，在程序中可以設(shè)兩個(gè)值 C C2，假設(shè) C1=400， C2 =800，若 CC1，系統(tǒng)把室內(nèi)的抽風(fēng)機(jī)打開(kāi)，把有害氣體排出室外，若 CC2，系統(tǒng)把蜂鳴器開(kāi)起，進(jìn)行報(bào)警。 此煙霧報(bào)警模塊的程序流程圖如圖 所示。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 圖 煙霧檢測(cè)模塊程序流程圖 二、紅外人體感應(yīng)模塊 紅外人體感應(yīng)模塊在智能家居系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，可以應(yīng)用在家門(mén)外，檢測(cè)是否有陌生人靠近房屋，也可以使用在保險(xiǎn)柜處，檢測(cè)是否有人在保險(xiǎn)柜附近活動(dòng)，還可以使用在窗戶邊，有效的防止小孩在窗戶邊玩耍時(shí)，不小心從窗戶掉到樓下去。本設(shè)計(jì)以預(yù)防小孩墜樓為例說(shuō)明紅外人體感應(yīng)模塊的用處。 我們通過(guò)在窗戶附近安裝人體紅外傳感器，檢測(cè)到小孩靠近窗戶時(shí)將關(guān)閉窗戶，小孩離開(kāi)窗戶后將把窗戶打開(kāi)，最大限度保護(hù)小孩的安全。在模型中我們只用了一個(gè)人體紅外傳感器，還不能準(zhǔn)備判斷是大人還是小孩靠近窗戶，但在實(shí)際項(xiàng)目中可在不同高度安裝人體紅外傳感器通過(guò)高度準(zhǔn)確是大人還是小孩靠近窗戶。 紅外傳感器正常工作時(shí)，人在進(jìn)入傳感器的檢測(cè)范圍內(nèi)，輸出高電平。當(dāng)安裝在窗戶邊的傳感器檢測(cè)到有小孩時(shí)，系統(tǒng)決定將窗戶關(guān)閉。紅外人體感應(yīng)模塊的程序流程圖如圖 所示： 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 圖 紅外人體感應(yīng)模塊程序流程圖 三、溫濕度檢測(cè)模塊 溫濕度檢測(cè)模塊是對(duì)家居環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)可以通過(guò)空調(diào)控制室內(nèi)的溫度， 使室內(nèi)溫度保持在一個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟戎担煌瑯?，?dāng)室內(nèi)濕度過(guò)高或過(guò)低時(shí)，可以 通過(guò)抽濕器或加濕器對(duì)室內(nèi)濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。溫室度檢測(cè)模塊的程序流程圖如圖 所示： 圖 溫濕度檢測(cè)模塊程序流程圖 第四節(jié) 本章小結(jié) 本章介紹系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程，首先介紹系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)，然后介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的程序?qū)崿F(xiàn)流程圖（包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)），最后介紹主要模塊的實(shí)現(xiàn)流程圖，這包括紅外人體感應(yīng)模塊、煙霧檢測(cè)模塊和溫濕度檢測(cè)模塊。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 第 五 章 系統(tǒng)測(cè)試 第一節(jié) 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試 本文的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中包括兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)協(xié)調(diào)器，一個(gè)終端設(shè)備。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)器發(fā)起的，當(dāng)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電以后， LED3 燈常亮組建網(wǎng)絡(luò)成功，如圖所示 所示： 圖 協(xié)調(diào)器上電組網(wǎng) 協(xié)調(diào)器成功組建網(wǎng)絡(luò)以后，給終端節(jié)點(diǎn)上電，剛開(kāi)始 led1 閃亮，當(dāng)成功加入網(wǎng)絡(luò)以后， led3 常亮，同時(shí)在顯示屏上顯示“ EndDevice:A9e3 Parent:0” ,如圖 所示，表示終端設(shè)備的地址為： A9E3，父節(jié)點(diǎn)（也就是協(xié)調(diào)器）地址為： 0。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 圖 終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò) 當(dāng)協(xié)調(diào)器突然斷電，也就網(wǎng)絡(luò)消失，這時(shí)終端設(shè)備 led1 和 led3 都閃亮，一直掃描周圍環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)存在情況。顯示屏上顯示“ Assoc f fail”，表示加入網(wǎng)絡(luò)失敗。 第二節(jié) 煙霧檢測(cè)模塊測(cè)試 煙霧報(bào)警模塊在室內(nèi)空氣質(zhì)量良好時(shí) 功能模塊上的 led 燈是處在關(guān)閉狀態(tài)的， 當(dāng)煙霧濃霧偏高時(shí)， 功能模塊中的 led 燈打開(kāi)， 同時(shí)系統(tǒng)把抽風(fēng) 那 機(jī)打開(kāi)把室內(nèi)有害氣體排出室外；當(dāng)煙霧濃度過(guò)高時(shí)， 功能模塊中的 led 燈打開(kāi)， 同時(shí)啟動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行煙霧報(bào)警。 在 進(jìn)行系統(tǒng) 測(cè)試時(shí)，用打火機(jī)給煙霧傳感器加煙霧，測(cè)試煙霧傳感器檢測(cè)打火機(jī)有害氣體的情況進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過(guò)測(cè)試，此功能模塊正常工作。 當(dāng)室內(nèi)空氣質(zhì)量良好時(shí)，功能模塊狀態(tài)如圖 所示： 圖 空氣質(zhì)量良好模塊狀態(tài) (綠色 led 燈關(guān)閉 ) 當(dāng)室內(nèi)空氣中 煙霧濃霧偏高 時(shí)，功能模塊狀態(tài)如圖 所示： 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 圖 煙霧濃度偏高模塊狀態(tài) (綠色 led 燈亮起 ) 第三節(jié) ZigBee 管理系統(tǒng)界面 ZigBee 管理系統(tǒng)時(shí)一款對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行管理和監(jiān)控的軟件，針對(duì)不同的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，可以設(shè)定不同的模型，本設(shè)計(jì)所用到的 ZigBee 管理系統(tǒng)涉及到的功能有：環(huán)境溫濕度的檢測(cè)以及溫度 /濕度的趨勢(shì)曲線；煙霧檢測(cè)功能和燈控功能。 ZigBee 管理系統(tǒng)界面如圖 所示： ZigBee 管理系統(tǒng)就是一個(gè)上位機(jī)，能夠?qū)揖迎h(huán)境和家庭中的家電進(jìn)行控制，這很方便我們對(duì)家居環(huán)境有一個(gè)很清晰的了解，更有利于我們對(duì)家中的家用電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)家居安防功能。 圖 是剛打開(kāi)管理系統(tǒng)時(shí)的界面顯示，當(dāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立起，各功能模塊都正常工作，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，顯示的界面如圖 所示： 我們先打開(kāi)管理系統(tǒng)，找到串口，并打開(kāi)，然后點(diǎn)擊“自動(dòng)更新”按鈕，最后按下終端設(shè)備上的 S1 鍵，進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，這時(shí)管理系統(tǒng)的界面上就會(huì)顯示功能模塊采集到的數(shù)據(jù)。另外，當(dāng)我們按下管理系統(tǒng)上“關(guān)閉所有燈”的按 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 鈕時(shí)，就會(huì)對(duì)我們 家居中的臺(tái)燈進(jìn)行關(guān)閉。 圖 ZigBee 管理系統(tǒng)界面 圖 管理系統(tǒng)監(jiān)控界面 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 第四節(jié) 本章小結(jié) 本章主要是對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試煙霧傳感器對(duì)空氣中煙霧濃度檢測(cè)和溫濕度傳感器對(duì)家居生活中溫度和濕度的檢測(cè)。另外就是測(cè)試ZigBee 管理系統(tǒng)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中功能模塊的監(jiān)控。最終測(cè)試表明，各功能模塊和管理系統(tǒng)都能正常工作。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 第 六 章 總結(jié) 本文題目叫“家居物聯(lián)網(wǎng)安全系統(tǒng)的研究”，主要研究智能家居安防系統(tǒng)，但